CN1871672A - 低温压缩机封装装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于低温压缩机装置的低泄漏罩体，包括环境控制装置和直接将超冷冷却液管线连接到超导效用电力变压器的引导装置。自包含系统维持所需的多个高性能冷却压缩机/冷却器在狭窄的温度范围内，以确保在无保护的外部环境中的可靠运转。该罩体推动超导电力系统的技术更接近适用的状态。

Description

低温压缩机封装装置和方法

优先权要求

本申请是一个部分持续申请，且要求2003年10月20日提交的名称为低温压缩机封装装置和方法的美国专利申请10/687,619号的利益，并在这里其公开的内容作为引用。

技术领域

本发明一般涉及低温设备的封装。本发明尤其涉及为用于维持超导变压器的功能的压缩机和管路提供密封的隔离壳体。

背景技术

低温生成冷却机(低温冷却机)用于降低超导装置的传导部件的温度至超导性出现的温度范围，在该温度范围，电阻几乎降至零，并且相对小的横截面积的导体可传导非常大的电流。在传统的应用中，用于几千瓦工业的或居民电力分配的变压器，例如，可能需要15吨或更多的铜以使所需的电流流过，并且通过将变压器浸没在具有类似汽车电动机油特性的数吨高精制石油馏分(矿物)油中实现温度平衡，在一些情况下，用装备了电风扇的外部冷却器将热量排到空气中实现冷却。相反，用于同样功能的超导变压器可能具有一吨重或更轻的导体，可以占有一小部分物理空间，且可以不使用矿物油。

已知的超导材料可根据其特性分类。一些材料仅仅有临界超导性，并且具有大电流量致使其超导性丧失的特性，其他的材料仅仅在绝对零度(0开氏度或-273.15摄氏度)的很小的范围内有超导性，需要采取很大的努力以对抗外部的环境温度而保持工作温度。还有一些材料是极脆弱的，以致他们在相当轻微的压力下就趋于破裂，当这样的超导体用于大电流和可变载荷时，其可在超导部分之间产生电阻边界，并可产生破坏性的热点。由此，能够在20开氏温度下传输工业电流强度的超导体被看作是高温超导体。在更高的温度下传输更大的电流的高稳超导体在将来可实现商业上的成功。

典型的电超导装置由隔热容器环绕时可经济地发挥作用，用于电能传输的冷却介质和金属导线可通过该隔热容器，但是热量通过该绝缘容器传播效率相对低。使用至少部分抽空的热边界区域的容器一般地，并且在此处，被称为真空瓶(Dewar)。

使用液态氮的低温冷却机的输出能够提供吸热装置，该吸热装置适于在真空瓶的外壳和内部之间产生有效的热障，基于气态氦的系统又可维持超导效用变压器所需的温度。对于这样的系统，液态氮低温冷却机可能包括：高温、加压的、在足以将其废热有效排出到另一个热交换器的高温下运转的气态分段；低温、高压的、将相变的氮输送回到吸热装置的液体分段；低温、低压的、可从真空瓶接收氮气化的热量的气态分段和载热的气态氮通过加压而温度上升的压缩机分段。

用氦作为热交换介质的低温冷却机在常温的相当宽的一般范围内放出其废热，诸如在200-400K附近的温度下。例如，这样的低温冷却机可成功地、安全地将其废热排出到周围的空气体积中。在完全的、世界范围内的室外气候中操作这样的装置可能要求螺旋压缩机和其他低温冷却机技术元素的重要性能。

氦低温冷却机可以使用基本与如上所描述的氮低温冷却机一样的热循环，除了当前技术的典型氦低温冷却机在循环中不使用相变、允许过程的简化以在较高地和较小地温度的技术挑战范围运转之外。在超导变压器和低温冷却机的氦之间的热耦合可能在真空瓶内的另外一个绝缘腔室中发生，其中气态氦包围变压器以吸收来自超导体功率管理过程的废热。热耦合也可能与氦低温冷却机发生，起着用于如上所述的氦低温冷却机的热交换器的作用。

因此，在本技术领域，被充分封装而全天候运转的刚性的、经久耐用的氦压缩机/热交换器系统是需要的，该压缩机/热交换器可以直接服务于大规模、大功率的超导体，可以与氮系统配合，并且能够将废热有效的排放到不受控制的环境中。

发明内容

在某种程度上，本发明满足了前述的需要，其中在一个方面提供了一种装置，该装置在一些实施例中支持具有在环境控制的壳体中的多元氦冷却装置的超导变压器的运转。该壳体进一步提供了导向装置、绝缘装置和对从氦冷却装置到氦热交换器进口穿过的冷却液管线的保护。

依照本发明的一个特征，用于容纳所封装的超导变压器的至少一个冷却压缩机/冷却器的罩体，包括：连接到超导变压器的绝缘真空瓶备上的机柜；附加在所述机柜上的空气调节器；支撑至少一个压缩机的机架；和设置于所述机柜内部的多个冷却液管线。

依照本发明的另一个特征，用于容纳支持所封装的低温设备的至少一个冷却压缩机/冷却器的罩体，包括：机械地支撑邻近于封装装置侧面的冷却压缩机/冷却器的装置；密封围绕所述支撑装置的热隔离室的密封装置；除去从所述密封装置产生的热量的装置；控制所述密封装置内湿气浓度的装置。

依照本发明的又一个特征，向由所封装的低温设备支撑的至少一个冷却压缩机/冷却器提供控制环境的方法，包括以下步骤：支撑在所封装设备的侧面附近的至少一个冷却压缩机/冷却器；密封包含冷却压缩机/冷却器的热隔离室；除去由密封室产生的热量；控制密封室内的湿气浓度；和密封和引导隔离室内的至少部分地导向低温头的冷却液管线。

由此，本发明的实例已被概要地阐述，更广泛的，是为了使在此描述的详细内容更容易理解，并且为了更好地认识到对本领域的贡献。当然，本发明的其他实施例将在以下进行说明，并且将会在权利要求中提出。

在这方面，在对本发明的至少一个实施例进行详细说明之前，便可以知道：本发明并不仅限于运用其具体结构和运用如下所述的说明和附图中所阐述的设置。本发明可以具有除所述内容之外的实施例，并且能够以多种方式被实施。另外，在此使用的词语和术语以及简语是为了阐述的目的，而不应该被认为是限定。

同样的，本领域技术人员应该认识到，该公开所基于的技术思想可以容易地作为其他结构设计的基础、执行本发明的某些目的的方法和系统的基础而被利用。重要的是，因此，本发明的权利要求应该被认为包括了没有超出本发明技术思想和范围的同等的结构。

附图说明

图1为根据本发明的具有气态氦冷却装置的超导变压器的立体图；

图2为冷却液管线外壳的立体图；

图3为冷却装置外壳的立体图。

具体实施方式

结合附图对本发明进行说明，其中，同样的部件采用相同的附图标记。本发明提供一种装置和方法，在一些具体实施例中可以实现对于冷却器的均匀环境控制以及对通向超导变压器的冷却液管线的保护，从而确保低温流体自由地流过冷却液管线。

现有的用于有效功率分配的超导变压器的设计方案期望用于它们的绕组传导带上，超导薄膜沉积于绕组传导带上，该方法及提供了结构上的强度又提供了可选择的通路，尽管在如测试、施加功力、事故关闭的工作中以减少的操作进行维护。在传导性为完好的区域，超导带具有对于电流可忽略的电阻，尽管现有技术限制了超导段的有效长度，留下了一个非超导范围，操作中，热量在该范围散去。超导变压器绕组围绕在可以与传统的变压器铁心相比的铁心周围，其中同样的，在操作中与热量一样，电能被消耗。一些现有的系统工具将热发生器分割成三部分，基本上相互隔离，并且分别地被在三个最内部的热交换系统中的气态氦冷却。

所属的在典型系统中的热交换器包括氦气型和氮气型，分别承担超导变压器的冷却过程的一部分。氦热交换器既直接冷却超导变压器的绕组，又驱使热量通过真空瓶的围壁，该热量首先被氦热交换器吸收，然后被连接到氦气，上述氦气从真空瓶被排除并且随后其热量被排出到大气中。

氮气热交换器充分紧凑，以使得在真空瓶的外壳内完全封装操作，通过流动释放其废弃热量并与一个氦气热交换器连接。氦气热交换器自身可以具有基本的工作体积，在真空瓶的外面设置有在之前的原型系统中的装置的相似单元。在此所述的典型系统中的氦气-空气热交换器位于大真空瓶中的一部分。该大真空瓶包括用于变压器的外壳，其中一部分是真空瓶的上表面，一部分是外侧部。这样物理布局，对于超导变压器的论证以及生产维护，在转变上带来了机械学上的挑战。

在组装中，冷却液管线通路从冷却压缩机/冷却机向至少一个的在变压器箱的封盖组件上安装的低温冷却机低温头(cryocoolercryohead)延伸，所述变压器箱的封盖组件将超导变压器内部组件封装，其中术语低温头在现有技术中已被了解，其意味着一种将低温致冷利导管与低温的壳体相连的接口装置，上述低温的壳体，典型的为顶部壳体，但不是必须的；并且术语变压器箱指的是封装变压器的外壳，其中这样的箱体可以允许密封、抽气，或者相反地操控环境，并且变压器在该环境中运行。

本发明的封装(enclosure)的实施例如图1所示。在图1中，壳体10封装了多个冷却单元12，并且提供用于作为超导变压器20的附属装置的冷却液管线16的导向壳体14，所述冷却液管线16从冷却单元12导向到与其相对应的低温头18。冷却液管线导向壳体14优选为绝缘的金属罩。在外壳的壳体10处附加有空气调节器22，该空气调节器22基本上与那些用于在移动式居所和其他暴露于外部环境的外壳中进行环境控制的设备相似。壳体10具有可易于检查和维护的入口门24，顺序地壳体10被附加在容纳变压器低温元件的真空瓶26的一侧。

在典型的实施例中冷却液管线导向壳体14的外部结构可以制成总体上符合冷却液管线16设置的路径。固定于壳体10的匹配的开口并将冷却液管线16的一部分包住的冷却液管线导向壳体14提供了稳定性和免于外部环境物体破坏的防护。所示冷却液管线导向壳体14的延长部分可以设置成包住冷却液管线16直至其与低温头18联接点，作为可选择的构造，可以将低温头18整体包住。例如，可以设置来自主壳体10的管道气体通道以确保低温头18附近的封闭空间不会过热。这样的管道气体通道可能需要附加的冷却能力。

图2另一个视点的冷却液管线导向壳体14。底部凸缘30提供了结构稳定性和与主壳体10的密封。顶面32密封冷却液管线导向壳体14，如果提供加压的输入，则允许已在主外壳内部建立起来的热的控制被延伸至冷却液管线导向壳体14的未端。冷却液管线导向壳体14作为任何适合于冷却液管线16周围的隔热体的附件被隔离。在冷却液管线导向壳体14的内部，当由于冷却液管线16随温度变化膨胀或缩短而使容纳位置移动时，管状支架34可以保持分离和抵制振动。由于大部分材料在这样的温度时会只显示有限的强度，所以通过输入管线和输出管线的流动的气体的极度的低温可以在管线上引起机械应力。

图3所示的是壳体10的另一个视图。空气调节装置36可以制成成调节温度的结构，通过其来运行基于气态氦的冷却装置。大量的从变压器26消除的热量可以结合于氦系统并直接消除；通过真空瓶本身外面的热量泄漏可以被氦系统捕获并结合于氦系统并同样消除。但是，冷却系统内部的氦在变压器的分界处需要保持在20K以下，并且不能直接结合于氦系统的变压器热量的主要部分可能需要通过位于真空瓶外面的气态氦压缩机来消除。这可以利用独立的涡旋式压缩机和辅助的热传导装置实现。

由于基于涡旋式压缩机的冷却单元12以优选的功率运行并能在大约10-20摄氏度(大约华氏50-70度)的狭窄和低温范围内抽进冷空气，所以在实验室环境和在恶劣环境的室外使用的适于保持在这个温度范围内的气体体积的空气调节装置36是合乎要求的。在建立可靠的温度调节中，商业的可利用的形成因素的尺寸和空气调节装置36的性能的广泛的范围可以优选，并因此确保超导变压器稳定地运行。在一些例子中，空气调节装置36可以优选热力泵，如果超导变压器设置于相对于环境的热损失率足以将冷却单元12冷却到其优选温度范围之下的位置，尽管冷却单元12的作用是消除超导变压器的热量，例如，在冬天时的冷重启动，热力泵能在壳体10的内升高温度。需要的空气调节装置36的冷却性能可以基于隔热材料加上自然发生环境的范围内和由气候所定的周围的空气温度计算。

空气调节也可包括在封闭空间内的湿度调节。对于本典型的机械实施，对所要求的湿度没有实行较优低的限制，所以空气调节装置可以制成消除可能通过泄漏和在工作过程中的气体交换而引入封闭空间的湿气的结构。在一些环境中，过低的湿度可能是不利的，例如，增加了静电放电损坏电子装置的危险，在该环境中这类的危险是重要的，向封闭气体空间故意地增加湿度是合理的。

图3进一步表示了隔热门38，其可限制在提供预备的服务时热量穿透壳体10接近冷却单元12和冷却液管线16。多元安装架42可以为冷却单元12提供稳定的支撑，并潜在地可以被安装以在一定程度上削弱作用于冷却液管线16上的机械应力的运动。

可以理解，如这里所描述的冷却运行系统的附加特征是在传输的过程中保持系统完整性的性能。这样，还有恰当的结构完整性的系统作为一个单一、密封的、整体的结构可以阻止长途运行，因此控制安装和调试时间以及污染和损坏的危险。

虽然使用电动的空气调节装置36的外壳的例子已经示出，但是其他类型的具有为超导变压器提供所要求的热量消除能力的气体冷却装置也可以使用，例如压缩空气涡旋热交换机和冷水热交换机。而且，虽然外壳用助于在典型超导变压器周围提供热量匀速输送，但其也可以用于确保在其它装置中的热量传输，如研究堆、回旋加速器和其他低温学科装置。

虽然所述系统这样远距离结合现有技术中公知的氦到气体的热交换机，但是无论是在如氨或碳氟化合物的封闭系统，或是在如蒸发或排水的开放空间，可以理解多重热交换过程中固有的低效率可以通过直接从氦系统结合热量到具有更高传输效率能力的液体而减少。

本发明的许多特征和优点依据详细的说明是显而易见的，因此，可以预想落入本发明的范围和实质精神的由附加权利要求所覆盖所有的本发明的特征和优点。而且，由于对于本领域的技术人员将易于发生很多的修改和改变，所以不希望将本发明限制在图示和所述的精确的结构和运行，相应地，所有的合适的修改和等价物都落入本发明的保护范围内。

Claims (26)

1、一种用于封装的低温设备的用于容纳至少一个冷却压缩机/冷却器的罩体，包括：

机柜，联接到设备的外壳上；

空气调节器，固定在所述机柜上；和

多个冷却液管线，位于所述机柜内。

2、如权利要求1所述的罩体，其中，进一步包括：至少一个管道支撑结构，所述冷却液管线安装在其上。

3、如权利要求1所述的罩体，其中，所述冷却液管线进一步包括至少一个管线分配器。

4、如权利要求3所述的罩体，其中，所述管线分配器允许所述冷却液管线的动作，同时防止所述冷却液管线超出所述机柜被所述空气调节器抑制的温度范围相互接触。

5、如权利要求1所述的罩体，其中，进一步包括：至少部分地包围冷却液管线路径的冷却液导管罩，该冷却液管线路径为从冷却压缩机/冷却器到部分嵌入低温设备外壳的低温设备的至少一个组件。

6、如权利要求5所述的罩体，其中，最接近封装的低温设备的所述冷却液导管罩的表面与低温设备外壳的最接近表面的轮廓相符合。

7、如权利要求5所述的罩体，其中，所述冷却液导管罩被隔离。

8、如权利要求5所述的罩体，其中，所述冷却液导管罩向所述冷却液管线提供支撑并相对于所述冷却液导管罩的内部结构分离所述冷却液管线。

9、如权利要求5所述的罩体，其中，所述冷却液导管罩通过带凸缘的通孔与所述机柜配合。

10、如权利要求5所述的罩体，其中，所述带凸缘的通孔允许所述冷却液管线进入所述冷却液导管罩，并且对于所述机柜密封。

11、如权利要求5所述的罩体，其中，从所述冷却液导管罩的机柜远端引出的冷却液管线包括：多个独立的密配合孔，各向单条冷却液管线提供稳定的、低泄漏通道。

12、如权利要求5所述的罩体，其中，所述冷却液导管罩完全围绕所述冷却液管线直到封装的低温设备的接口处。

13、如权利要求5所述的罩体，其中，所述冷却液导管罩完全围绕所述冷却液管线和任何不位于封装的低温设备内的所述封装的低温设备的组件。

14、如权利要求1所述的罩体，进一步包括：辅助通风系统，将被调节的空气送到所述冷却液导管罩远离所述机柜的区域。

15、如权利要求1所述的罩体，进一步包括：至少一个隔离门，当其关闭时对所述机柜提供充分的封闭。

16、如权利要求1所述的罩体，进一步包括：支架，用于支撑在所述机柜内的冷却压缩机/冷却器。

17、如权利要求1所述的罩体，其中，所述空气调节器从所述机柜内的空气体中除去热量。

18、如权利要求1所述的罩体，其中，所述空气调节器从所述机柜内的空气体中除去水蒸汽。

19、如权利要求1所述的罩体，其中，所述空气调节器向所述机柜内的空气体添加热量。

20、如权利要求1所述的罩体，其中，所述空气调节器向所述机柜内的空气体添加水蒸汽。

21、一种支持封装的低温设备的用于容纳至少一个冷却压缩机/冷却器的罩体，包括：

机械地支撑至少一个冷却压缩机/冷却器靠近封装设备的侧面的装置；

封闭围绕所述支撑装置的热隔离空间的装置；和

用于从所述封闭装置除去热量的装置。

22、如权利要求21所述的罩体，进一步包括：用于控制所述封闭装置内湿气浓度的装置。

23、如权利要求21所述的罩体，进一步包括：

用于封闭和引导隔离空间内的冷却液管线至少部分地通向封装的低温设备的装置，和

定位冷却液管线与所述封闭装置内的冷却压缩机/冷却器分离的装置，以防止冷却液管线相互接触和与除包括所述定位装置之外的部分的其他表面接触。

24、一种为支持封装的低温设备的至少一个冷却压缩机/冷却器提供控制环境的方法，包括以下步骤：

支撑该冷却压缩机/冷却器靠近封装设备的侧面；

封闭包括冷却压缩机/冷却器的热隔离空间；

由该封闭空间除去热量。

25、如权利要求24所述的环境控制方法，进一步包括：控制封闭空间内的湿气浓度。

26、如权利要求24所述的环境控制方法，进一步包括：

封闭和引导隔离空间内的冷却液管线至少部分地通向封装的低温设备；和

定位冷却液管线与所述封闭空间内的冷却压缩机/冷却器分离，以防止冷却液管线相互接触和与其他表面接触。

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